Ученые Института фотонных технологий РАН структурного подразделения ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН продемонстрировали комплексный метод, основанный на сочетании теневой фотографии и время-разрешенной Рамановской спектроскопии, для наблюдения нестационарного лазерно-индуцированного сверхкритического состояния в молекулярных средах.
Сверхкритические флюидные технологии находятся на стыке физии, химии и медицины. За счет сочетания свойств, как жидких (высокая плотность, текучесть) так и газовых сред (высокие диффузионные свойства, изменение плотности при варьировании давления и температуры) они широко используются в науке и технике, например для обогащенияи, экстракции и очистки фармакологических субстанций, микро и наночастиц, а также в других областях. Однако, в большинстве случаев сверхкритические флюиды находятся в стационарном или квазистационарном состоянии, т. е. при заданном давлении и температуре, что не позволят локализовать их воздействие. При фокусировке коротких и ультракоротких лазерных импульсов в среду в ней достигается высокий энерговклад (порядка нескольких кДж/см3), что приводит к локальному нагреву (вплоть до десятков тысяч К) и генерации ударных волн с давлением порядка МПа-ТПа. Формально (с точки зрения нахождения вещества на p-T) диаграмме, такое состояние будет являться сверхкритическим. Однако, из-за того, что такое лазерно-индуцированное состояние вещества является экстремальным и крайне нестационарным, остается отрытым вопрос – будет ли оно в сильно локализованной области обладать свойствами сверхкритических флюидов. Такое, локализованное воздействие технологически оправдано для микротехнологий прецизионной обработки материалов за счет использования уникальных свойств СКФ (низкая вязкостью, легко варьируемая плотность, высокими коэффициентами диффузии, тонко варьируема растворяющая способность).
Теневая фотография применяется для восстановления значений давления, а Рамановская спектроскопия с молекулярной динамикой – для оценки температуры. Временное разрешение 0,25 нс достигается за счет изменения задержки между импульсами накачки (создавая экстремальную энерговклад) и зондирующими лазерными импульсами с помощью электронной схемы цифровой задержки. Предлагаемый способ применялся для жидкой CO2 и воде. Под действием наносекундного лазерного импульса расчетные температуры и давления (~ 700 К и ~ 0,5 ГПа), достигаемые в средах, превышают критические параметры.
В этой работе ученые Института фотонных технологий РАН структурного подразделения ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН впервые продемонстрировали, что используя короткие (наносекундные) лазерные импульсы в жидком диоксиде углерода достигается именно сверхкритическое состояние, в котором наблюдается кластеризация, высокие флуктуации и аномальное поведения Рамановских спектров.
В статье в Optics Express представлен комплексный оптический подход, предназначенный для характеризации оптического пробоя в воде и CO2. Было показано, что в СО2 «кавитационный пузырь» распадается на несколько кластеров, характерных для сверхкритического состояния. Расчетное давление и температура также превышают критические параметры жидкостей, поэтому данный метод может быть использован для характеристики сверхкритического лазерно-индуцированного состояния вещества.
Рис. 1. Эволюция кавитационных пузырей в жидком диоксиде углерода (80 бар, 300 К) после воздействия наносекундного (6 нс, 400 мкДж) лазерного импульса. Задержки между силовым и пробным импульсом указаны на рисунке.
Подробнее в журнале Optics Express.